«Вестник АН СССР» 1957 №9, с.53-60

17 сентября 1957 г. исполнилось 100 лет со дня рождения К. Э. Циолковского, с чьим именем связаны первые научные представления о космических полетах и завоевании мирового пространства. Вместе с проблемой межпланетных сообщений Циолковского привлекали научные вопросы естествознания и техники в весьма широком аспекте. Им написано около 150 работ, касающихся ракетной техники, аэродинамики, воздухоплавания и авиации, физики и астрономии, астробиологии, геохимии, а также философии.

Первая научная работа, написанная Циолковским в 1883 г. («Свободное пространство»), была посвящена анализу явлений механического движения в пространстве, свободном от поля тяготения и сопротивления среды. В том же году он закончил труд «Подобие организмов и уклонение от него», получивший одобрение И. М. Сеченова и приведший к избранию Циолковского членом Петербургского физико-химического общества.

В 1891 г. в «Ученых записках» Московского общества любителей естествознания появилась работа Циолковского «Давление жидкости на равномерно движущуюся в ней плоскость». Эта первая печатная работа ученого была опубликована по предложению Н. Е. Жуковского и Л. Г. Столетова. Изложенные в ней результаты аналитических и экспериментальных исследований явились ценным вкладом в тогда еще только зарождавшуюся отрасль знания — экспериментальную аэродинамику. Еще больший интерес представила работа Циолковского «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина», напечатанная в 1895 г. в журнале «Наука и жизнь» (Москва). Описанный в этой статье самолет — прообраз конструкций, появившихся 15-20 лет спустя.

В своих дальнейших исследованиях Циолковский неоднократно уделял внимание развитию авиации, а в сочинениях, опубликованных в 20-30-х годах нашего столетия, им было высказано много прогрессивных идей, подкрепленных схемами и расчетами, относящимися к созданию воздушно-реактивных самолетов, нашедших впоследствии воплощение в жизнь.

В 1897 г. Циолковским была создана первая в России аэродинамическая труба, снабженная измерительной аппаратурой оригинальной конструкции. Проведенные на ней систематические исследования были положительно оценены Российской Академией наук, ассигновавшей Циолковскому средства для продолжения работ. Высокую оценку исследованиям Циолковского по аэродинамике дал Н. Е. Жуковский, отметивший, что «оригинальный метод исследования, рассуждения и остроумные опыты автора характеризуют его как талантливого экспериментатора...» Оказывал поддержку Циолковскому и Д. И. Менделеев, участвовавший в экспертизе его работ.

С 1887 г. Циолковский начал выступать с докладами и печатными трудами, посвященными впервые им разработанному цельнометаллическому дирижаблю с тонкостенной гофрированной оболочкой, обладавшему управляемой переменной подъемной силой без расхода газа и балласта (путем изменения объема дирижабля и подогрева заключающегося в нем газа).

Много энергии потратил Циолковский на разработку теории и конструкции этого дирижабля, много средств и времени отняло у него изготовление собственными руками металлических моделей дирижаблей. Всю свою жизнь Циолковский боролся за осуществление этой идеи, в свое время весьма прогрессивной. Идея Циолковского предшествовала появлению цеппелинов и других цельнометаллических дирижаблей, а по своим характеристикам его дирижабль обещал быть наиболее совершенным.

Деятельность Циолковского протекала в трудных условиях. Средства к существованию ему давал лишь весьма скромный заработок провинциального школьного учителя математики и физики. Этих денег было недостаточно для содержания многочисленной семьи, а тем более для проведения экспериментальных работ. Почти полная глухота, которой Циолковский страдал с детства после перенесенной скарлатины, затрудняла его общение с людьми.

Оригинальные научно-технические идеи Циолковского, опережавшие свой век, встречались недоверчиво и редко получали поддержку. Официальные круги царского правительства не оценили перспективности работ Циолковского. Лишь после Октябрьской революции Циолковскому, находившемуся уже на склоне лет, была оказана широкая государственная поддержка.

Основные труды Циолковского, стяжавшие ему всеобщее признание, связаны с завоеванием мирового пространства. Остальные его многочисленные работы, среди которых наибольшее внимание уделялось аэродинамическим исследованиям и разработке дирижаблей, являются вкладом в науку и технику, принадлежащим истории.

Ракеты как возможное средство передвижения известны с глубокой древности. Так, сохранилось предание о попытке осуществления полета человека с помощью пороховых ракет в древнем Китае¹. Полет человека на Луну при помощи пороховых ракет упоминается в романе Сирано де-Бержерака, изданном в 1649 г. Впоследствии в проектах и романах, кстати мало чем отличавшихся друг от друга, неоднократно описывался полет человека на пороховых ракетах. В чудесном романе Жюль Верна «Вокруг луны» (1870) пороховые ракеты используются для корректировки траектории движения снаряда, уносящего в мировое пространство трех путешественников, а также указывается на возможное применение этих ракет для торможения при спуске на Луну.

1 См.: Н. А. Рынин. Ракеты и двигатели прямой реакции (история, теория и техника). Л., 1929.

В 1881 г. Н. И. Кибальчич накануне своей трагической гибели составил схематический проект воздухоплавательного аппарата, использующего пороховые ракеты, В 1893 г. Г. Гансвиндт предложил проект пассажирской пороховой ракеты для полета на планеты. В 1896 г. А. П. Федоров опубликовал проект пороховой пассажирской ракеты как воздухоплавательного аппарата.

Как многие из нас, под влиянием романов Жюль Верна, Циолковский с детства увлекся идеей полета человека в межпланетное пространство и сохранил мечту об этом на всю жизнь.

В 1883 г. в работе «Свободное пространство» Циолковский рассматривал принципы реактивного движения. Десятью годами позднее вышла из печати написанная им в 1887 г. научно-фантастическая повесть «На Луне», а еще через два года повесть «Грезы о Земле и небе».

Появление в 1896 г. сочинения А. П. Федорова «Новый принцип воздухоплавания» побудило Циолковского заняться углубленным анализом возможностей, открывающихся при использовании ракетного принципа движения. Итогом этой работы была опубликованная в 1903 г. статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами»², в которой описывается пассажирская ракета для полета в мировое пространство. Ракету предлагается снабдить осветительной аппаратурой, кислородом для дыхания, поглотителями углекислоты и других выделений животных организмов. В ракете размещаются баки для жидких компонентов топлива — окислителя и горючего, служащих для питания ракетного двигателя. Раздельно хранимые жидкие компоненты топлива подаются насосами в ракетный двигатель с расширяющимся соплом, смешиваются в заданном соотношении в головке двигателя и равномерно взрываются. Для охлаждения камера и сопло двигателя окружены рубашкой, в которой быстро циркулирует жидкий металл. Низкая температура компонентов топлив позволяет охлаждать ими рубашки с циркулирующим жидким металлом или непосредственно сопло двигателя. Для охлаждения горячих стенок двигателя предусматривается также теплоизоляция их со стороны продуктов сгорания огнеупорным материалом — углеродом, вольфрамом или чем-нибудь иным. В качестве окислителя предлагается жидкий кислород, а в качестве горючего — жидкий водород или жидкие, либо сжиженные углеводороды, например ацетилен, нефть. Указывается на необходимость приборов для автоматического программного управления силой тяги двигателя и движением ракеты в полете.

² «Научное обозрение». СПб., 1903, № 5.

Автономное управление полетом ракеты предлагается осуществить по Солнцу с помощью оптики и чувствительного элемента, либо системой гироскопов, вырабатывающих командные электрические токи при отклонении оси ракеты от заданного положения. Для поворота оси ракеты с целью управления намечается использовать систему двух перемещающихся на борту ракеты масс, либо поворачивание сопла двигателя, либо газовые рули, помещаемые в струе двигателя у выхода из сопла.

Можно только удивляться глубокому предвидению Циолковского. Прошло свыше полувека со дня опубликования его статьи, и тем не менее она поражает богатством и правильностью высказанных идей. Лица, близко стоящие к ракетной технике, могут достаточно полно оценить проницательность Циолковского, поскольку они хорошо знают, как широко используются его идеи во всех странах мира, занятых разработкой ракет. Но многие идеи Циолковского еще ждут своего осуществления. Правильность и перспективность этих еще не осуществленных идей не вызывают сомнений, и лишь недостаточный общий уровень развития науки и техники не позволяет реализовать их в настоящее время.

Как и предлагал Циолковский, в современных ракетах используются жидкие компоненты топлива, в частности кислород и нефтепродукты, раздельно хранимые в баках и нагнетаемые насосами в смесительные головки ракетных двигателей, снабженных расширяющимся соплом. Двигатель охлаждается окислителем и горючим до их поступления в камеру сгорания. Для автоматического управления полетом ракеты введено программирование, применяются гироскопы с потенциометрами, качающиеся камеры сгорания, газовые рули, устанавливаемые в струе двигателя, разрабатываются приборы астронавигации для ракет.

Как ни велика заслуга Циолковского в том, что он дал конкретные принципы устройства жидкостной ракеты, все же главная ценность его работы, опубликованной в 1903 г., заключается в другом. В этой работе Циолковским впервые заложены научные основы изучения реактивного движения и создана точная теория ракеты, позволившая объективно оценить возможности этого способа перемещения. Циолковским выведены математические формулы, относящиеся к движению ракеты вне поля тяготения и атмосферы, а также к вертикальному и наклонному взлету и спуску ракеты в поле тяготения. При этом им в аналитической форме установлена связь между скоростью, приобретаемой ракетой, скоростью истечения газов из сопла двигателя, полным весом ракеты и весом несомого топлива. Этой фундаментальной формуле присвоено имя Циолковского. Им найдено также аналитическое выражение для полетного кпд ракеты и показано, что ракета может быть весьма экономичной, используя свыше 50% кинетической энергии продуктов сгорания топлива, вытекающих из сопла двигателя.

Анализ этих формул позволил Циолковскому прийти к ряду замечательных выводов и доказать возможность достижения ракетами на жидком топливе космических скоростей, достаточных не только для создания искусственных спутников Земли, но и для полетов к любым планетам солнечной системы.

Из формулы Циолковского следует, что приобретаемая ракетой скорость прямо пропорциональна скорости истечения газов из сопла двигателя и логарифму отношения стартового веса ракеты к ее весу без топлива. Таким образом, определяющее влияние на дальность полета ракеты оказывает величина скорости истечения газов или эквивалентная ей величина удельной тяги двигателя (т. е. тяги двигателя, приходящейся на единицу веса топлива, расходуемого в секунду). Величина удельной тяги зависит от рода топлива и совершенства конструкции двигателя. Лучшими ракетами будут те, которые располагают двигателями с большей удельной тягой.

Однако не только удельная тяга двигателя характеризует качество ракеты. Высокое значение удельной тяги может быть обесценено, если применяется топливо с низким удельным весом, так как это приводит к увеличению веса баков и системы питания на единицу веса топлива. Кроме того относительное содержание топлива на ракете (по весу) должно быть достаточно большим, и чем оно больше, тем дальше полетит ракета. Выполнение этого требования возможно лишь при высоком развитии научно-технических методов конструирования ракет.

Установив определяющее влияние скорости истечения газов из сопла на скорость полета, Циолковский предложил схему ракетного двигателя с максимальным использованием потенциальной, химической энергии топлива. Для этого расширение продуктов сгорания в сопле должно вестись до конденсации воды, учитывая, что теплота, выделяющаяся при частичкой конденсации жидкой фазы, будет передаваться остающейся парообразной фазе и тем повышать ее кинетическую энергию.

В той же работе Циолковский указывает на возможность устройства искусственного спутника Земли — постоянной обсерватории, движущейся «за пределами атмосферы неопределенно долгое время вокруг земли, подобно ее луне»³.

³ «Научное обозрение» СПб. 1903, № 5, стр. 71.

В рассматриваемой работе некоторые частные, не определяющие вопросы ныне, естественно, уточнены, и Циолковский это предвидел. Он писал: «Во многих случаях я принужден лишь гадать или предполагать. Я нисколько не обманываюсь и отлично знаю, что не только не решаю вопроса во всей полноте, но что остается поработать над ним в 100 раз больше, чем я поработал. Моя цель возбудить к нему интерес, указав на великое значение его в будущем и на возможность его решения...»⁴.

Молчание, которым была встречена его работа, не обескуражило Циолковского. Он продолжал свои теоретические исследования и опубликовал их результаты в 1911-1912 гг. под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами. Реактивный прибор «Ракета» К. Циолковского»⁵. В этой работе рассмотрено влияние сопротивления атмосферы на полет ракеты. При этом установлено, что потери скорости ракеты, связанные с сопротивлением атмосферы, существенно меньше потерь, связанных с преодолением притяжения Земли даже при взлете под оптимальным углом к горизонту. Указываются способы уменьшения сопротивления воздуха в несколько раз путем старта с горных вершин или поднятия ракеты воздушным кораблем на значительную высоту. Рассмотрены условия в ракете при взлете ее с работающим двигателем и при полете по инерции вне атмосферы (явления, связанные с перегрузкой и с кажущимся отсутствием тяжести). При этом даны различные рекомендации, например создание в случае необходимости искусственной тяжести путем приведения во вращение аппарата (об этом см. также его «Грезы о Земле и небе», 1895 г.). Поворот ракеты в полете предлагается производить с помощью вращающихся внутри ее тел. Описывается траектория выведения ракеты на орбиту спутника Земли, а также различные варианты орбит этого спутника. Кратко рассматриваются различные траектории движения ракет при полете в мировом пространстве, создание спутника Луны, посадка на Луну, создание спутника Солнца, спутников различных планет нашей солнечной системы, посадка на внутренние и внешние планеты, на астероиды, вылет за пределы нашей солнечной системы к другим звездам. Основная часть этой работы посвящена изложению плана завоевания и заселения мирового пространства человеком,

Циолковский указывает на большие перспективы, открывающиеся перед ракетным летанием при использовании в качестве источника энергии для двигателей радия или радиоактивных тел, если бы удалось ускорить их разложение. Он допускает, что «с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного приборам частицам»⁶, и развивает эту мысль. Невольно вспоминаются многочисленные проекты электронных и ионных ракетных двигателей, предлагавшиеся через десятки лет после Циолковского.

В 1911 г. в «Вестнике воздухоплавания» была опубликована следующая выдержка из письма Циолковского в редакцию журнала: «Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете. Математические выводы, основанные на научных данных и много раз проверенные, указывают на возможность с помощью таких приборов подниматься в небесное пространство и, может быть, — основывать поселения за пределами земной атмосферы.

Пройдут, вероятно, сотни лет, прежде чем высказанные мною взгляды найдут применение и люди воспользуются ими, чтобы расселяться не только по лицу земли, но и по лицу всей вселенной»⁷.

⁴ «Научное обозрение». СПб, 1903, № 5, стр. 55.

⁵ «Вестник воздухоплавания». СПб. № 19-22 за 1911 и № 2-9 за Ш12 г.

⁶ Там же, 1912, № 9, стр. 8.

⁷ Там же. 1911, № 19, стр. 16.

Эта его работа нашла широкий отклик у общественности. Не только научно-технические и популярные журналы, но и общая пресса проявили к ней живой интерес.

В третьей части своего труда, опубликованной отдельным изданием под тем же названием в 1914 г. в Калуге, Циолковский в первой же фразе пишет о намерении «опровергнуть взгляд на «ракету», как на что-то чрезмерно далекое от нас» ⁸.

Приводя далее пять теорем из созданной им теории движения ракеты, он дает краткое описание ее устройства.

Рассматривая, в частности, различные компоненты топлива для жидкостного ракетного двигателя, Циолковский дополнительно называет скипидар, бензол, бензин, сжиженные метан и озон. Для охлаждения двигателя предлагается использовать жидкий кислород, служащий окислителем. Максимальное давление газов в камере сгорания приближенно оценивается в 5000 атм, в связи с чем работа нагнетания компонентов топлива в камеру сгорания оказывается чрезмерно большой. Предлагается взрывать топливо в двигателе порциями, вводимыми в камеру во время отсутствия в ней давления, либо подавать его непрерывно при помощи инжектора, работающего на продуктах сгорания этого топлива, отводимых из сопла.

Обладая даром писателя, Циолковский излагал свои идеи проникновения в мировое пространство и завоевания его в занимательной, но строго научной по содержанию форме.

Помимо названных выше научно-фантастических сочинений, Циолковский в 1918 г. опубликовал в журнале «Природа и люди» (№ 2-14) научно-популярную повесть «Вне Земли», изданную затем отдельной книгой⁹. В этой повести рассказано о последовательном овладении заатмосферным пространством, создании в мировом пространстве крупных поселений, описана жизнь в этих колониях, создание там новой энергетики и промышленности, новой архитектурной и строительной техники, нового вида пищевой промышленности. Изобилие солнечной энергии, не ослабленной поглощающим действием атмосферы, возможность дарового охлаждения тел до температуры, близкой к абсолютному нулю, кажущееся отсутствие тяготения, неограниченное свободное пространство, — все это предоставляет человечеству исключительные возможности для бурного прогресса. Полностью снимается вопрос об обеспечении растущего населения нашей планеты источниками энергии и жизненным пространством в будущие времена. Непосредственное проникновение человечества в космос не только позволит достигнуть материального и энергетического изобилия, но, в первую очередь, необычайно обогатит науку, открывая перед ней новые возможности, не доступные на дне воздушного океана, окружающего нашу планету.

⁸ К. Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами (Дополнение к I и II части труда того же названия). Калуга, 1914, стр. 7.

⁹ К. Циолковский. Вне Земли. Калуга, 1920.

Воистину величественные картины будущего нарисовал Циолковский. По указанному им пути идут его ученики и последователи, посвятившие себя претворению в жизнь этих замечательных замыслов.

В работе «Космический корабль» (1924) Циолковский описывает планирующий спуск ракеты в атмосфере без затраты топлива при возвращении ее по огибающей Землю спиральной траектории после заатмосферного полета; указывает на вероятность разработки электронных и, особенно, ионных ракетных двигателей и высказывает ряд других соображений.

В 1926 г. в Калуге вышла книга Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», являющаяся переработанным и дополненным изданием его статей, опубликованных под тем же названием в 1903-1911 гг.

Резюмируя свои прежние работы, Циолковский подчеркивает особую важность создания обитаемого искусственного спутника Земли. Спуск спутника на Землю будет происходить практически без затраты топлива, путем планирования в атмосфере на специальном планере, пилотируемом летчиком или автопилотом, задачей которых будет погасить космическую скорость планера (около 8 км/сек) путем постепенного торможения атмосферой. Взлет с Земли на спутник осуществляется при помощи ракет. Таким же образом будет поддерживаться связь со спутником (переброска оборудования, средств питания, смена экипажа), обеспечивающая его постоянное функционирование до тех пор, пока в отдаленном будущем на нем не будут созданы условия для автономного существования.

В этой работе, как и в ряде других, Циолковский утверждает, что «достаточно только освободиться от планетной атмосферы и сделаться спутником этой планеты, хотя бы на очень близком от нее расстоянии, чтобы дальнейшее движение и перемещение по всей вселенной было совершенно обеспечено. Действительно, взрывание (тяга двигателя. — В. Г.) тогда может быть очень слабым, а энергия, потребная для этого, может быть заимствована от энергии Солнца»¹⁰. В качестве опорного материала (материи) рекомендуется использовать рассеянные в мировом пространстве малые тела.

¹⁰ К. Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами (переиздание работ 1903 к 1911 гг. с некоторыми изменениями и дополнениями). Калуга, 1926, стр. 43.

В сочинении «Космическая ракета. Опытная подготовка» (1927) Циолковский описывает предполагаемое устройство опытной двигательной ракетной установки, работающей пульсационно (до 25 вспышек в секунду), с гидравлически управляемыми клапанами для подачи компонентов топлива поршневыми насосами, приводимыми в действие бензиновым мотором. Клапаны закрываются давлением вспышки в камере сгорания, передающимся через жидкие компоненты, и открываются при достаточном снижении давления газов в результате их истечения через сопло, что должно снизить работу нагнетания топлива в камеру сгорания. Среднее давление газов в камере принимается равным примерно 100 атм, а максимальное доходит до нескольких тысяч атмосфер.

В качестве окислителя рассматриваются жидкие воздух, кислород и эндотермическое соединение кислорода с азотом (например азотный ангидрид N₂O₅); в качестве горючего — бензол, этилен, скипидар. В качестве мощного источника энергии для ракетного двигателя упоминается одноатомный водород.

Впрыск окислителя и горючего в камеру сгорания предлагается одновременный, раздельный, струйный — через решетки с косыми отверстиями для лучшего смешения. Камера не имеет критического сечения, ее форма — открытый конус; охлаждается она извне конвективно горючим, которое, в свою очередь, таким же образом охлаждается снаружи окислителем.

Установка предназначалась для отработки конструкции ракетного двигателя. В кратком изложении такой же принцип работы двигателя описан в предыдущей работе Циолковского (1926).

В работе «Космические ракетные поезда» (1929) Циолковский предлагает составлять поезда из ракет, последовательно работающих и поочередно отбрасываемых в полете по мере опорожнения их баков, чем достигается увеличение конечной скорости, приобретаемой последней ракетой поезда. С этой же целью он рекомендует пускать группу ракет с одновременно работающими двигателями, причем по мере расходования топлива последнее восполняется в части ракет путем переливания из других ракет; опорожнившиеся ракеты отделяются от группы («Наибольшая скорость ракеты», 1935).

В ряде других исследований, не названных в настоящий статье, Циолковский развивал свои идеи в области ракетной техники. Мы привели лишь основные, впервые им высказанные мысли. Не мало внимания он уделял вопросам быта и общественного устройства колоний в мировом пространстве, планам покорения космоса.

Циолковский был не только теоретиком, но и экспериментатором. Им выполнены значительные экспериментальные исследования по аэродинамике и дирижаблестроению. Однако по ракетной технике Циолковский практических работ не вел. Теоретические разработки Циолковского по ракетной технике были подтверждены и дополнены научными исследованиями, выполненными намного позже за рубежом (во Франции — Эно Пельтри, 1913 г,; в Америке — Роберт Годдар, 1919 г.; в Германии — Герман Оберт, 1923 г. и Вальтер Гоманн, 1925 г, и др.).

Циолковский заложил прочный теоретический фундамент новой области науки и техники, и его ученики и последователи приложили не мало труда, чтобы вызвать к жизни многое из того, что предвидел Циолковский. В результате в нашей стране создана реальная научно-исследовательская, опытно-конструкторская и промышленная база для успешного развития ракетной техники.

Необходим колоссальный и длительный труд не одного поколения в ряде отраслей науки и техники, прежде чем идеи Циолковского обратятся из сказочной перспективы в явь. Однако развитие этих идей стоит на правильном пути и еще нам, современникам Циолковского, предстоит быть свидетелями первых шагов покорения мирового пространства.

Уже в течение нескольких лет в СССР ведутся полеты ракет с собаками на высоты 100—200 км с целью изучения влияния невесомости, космических излучений и других факторов на жизнедеятельность сложных живых организмов.

В ряде стран систематически проводятся запуски на различные высоты ракет, снабженных научной аппаратурой для выполнения исследований по широким программам. Во время текущего Международного геофизического года в СССР и США будут пущены ракеты с искусственными спутниками Земли. Осуществление этих полетов надо рассматривать не только как замечательное научно-техническое достижение, но и как исключительно важный акт на пути к выходу в мировое пространство.

В 1926 г. Циолковский писал: «Первый великий шаг человечества состоит в том, чтобы вылететь за атмосферу и сделаться спутником Земли»¹¹. Мы находимся накануне этого шага.

¹¹ К. Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами. Калуга, 1926, стр. 43.

Создание первых искусственных спутников, как бы они ни были несовершенны, ознаменует овладение человеком первой космической скоростью (около 8 км/сек), минимально необходимой, чтобы покинуть поверхность Земли на то время, пока эта скорость не будет хотя бы частично погашена. Чтобы навсегда покинуть Землю, превратившись в спутника Солнца, самостоятельную планету, необходима минимальная скорость, в раз большая первой космической скорости. Эта, так называемая вторая космическая скорость, составляет 11,2 км/сек. Третья космическая скорость — 16,5 км/сек — минимально необходима, чтобы навсегда покинуть нашу солнечную систему.

Овладение каждой из этих критических космических скоростей составит эпоху в истории человечества. И каждое из этих замечательных событий будет связано с именем Циолковского.